Зависимость сопротивления проводников и полупроводников от температуры

Зависимость сопротивления проводников и полупроводников от температуры

Выполнил: Турчин Владислав 8 «А» класс

Научный руководитель: Шальнова Оксана  Александровна

Многие из нас не раз сталкивались с электронными термометрами, которые используются для измерения температуры тела или воздуха, некоторые используют такие термометры в холодильнике для поддержания в нем нужной температуры. Однако мало кто задумывается, на каком принципе работают эти приборы, что лежит в их основе? Оказывается, электрическое сопротивление различных материалов зависит от температуры, и у этого явления есть как положительные, так и отрицательные стороны.

Цель моего проекта – разобраться с явлением зависимости сопротивления различных материалов от температуры, провести экспериментальное исследование, проанализировать полученные данные.

С точки зрения проводимости материалы можно разделить на проводники и полупроводники. На моем уровне знания – проводники хорошо проводят электрический ток, т.е. обладают низким сопротивлением, а полупроводники – плохо проводят ток, и, значит, обладают высоким сопротивлением. Из литературы я узнал, что сопротивление проводников растет с ростом температуры, а полупроводников, наоборот, падает. Объяснить это явление можно вот такими рисунками.

При низкой температуре электроны свободно перемещаются в кристаллической решетке металла под воздействием внешнего электрического поля, изредка соударяясь  с ионами решетки. При повышении температуры у электронов повышается тепловая составляющая скорости, которая является причиной столкновения с ионами решетки, в результате которого они отдают ей много энергии, нагревая проводник.

У полупроводников нет электронов в зоне проводимости, и попасть туда они могут за счет высокой тепловой энергии: при повышении температуры тепловая энергия электронов увеличивается и увеличивается доля, попавших в зону проводимости, что приводит к падению сопротивления.

В своем экспериментальном исследовании я использовал следующие проводники для исследования температурной зависимости металлов (слева направо на рисунке): медная катушка, проволочный резистор, вольфрамовая спираль лампы накаливания, а так же приборы: электронный термометр и омметр.

Выбор данных проводников связан с тем, что у металлов низкое сопротивление, и чтобы прибор (омметр) смог его измерить, проволока должна быть достаточно длинная и тонкая. Сопротивления выбранных проводников при комнатной температуре составили 50-100 Ом, что можно измерить  имеющимся у меня омметром.

Чтобы температура точно определялась, я использовал резервуар (кастрюлю) с водой, в которую помещались выбранные проводники и термометр. Электрическая схема и внешний вид экспериментальной установки изображены на рисунках.

Из литературы я узнал, что зависимость температуры от сопротивления проводников очень маленькая. Это значит, что для его измерения потребуется широкий температурный диапазон. Самую низкую температуру в домашних условиях я смог получить в морозильной камере, -18°С, а самую высокую – нагревая резервуар с водой на газовой плите с использованием «водяной бани» до 97°С (на прямом огне вода в резервуаре нагревалась бы не так равномерно, и температура на проводниках и температурном датчике могла оказаться различной). Полученные зависимости сопротивления от температуры всех проводников приведены на графике: сопротивление меди и вольфрама, как и ожидалось, растет с ростом температуры, а у проволочного сопротивления оно падало по непонятным причинам. Отмечу, что тонкая и хрупкая вольфрамовая нить разорвалась во время размораживания воды, поэтому промерить ее сопротивление в широком температурном диапазоне, к сожалению, не удалось. Как видно из графиков, все зависимости сопротивления от температуры линейны, а, значит, могут быть аппроксимированы линейной функцией (представлены на графике прямыми черными линиями с использованием линейной аппроксимации в программе Excel). Так называемый коэффициент температурного сопротивления, α (1/°С), приведен в таблице  для всех измеренных материалов, а также справочные данные для этих материалов. Как видно из таблицы, для меди измеренные и справочные значения α совпали с высокой точностью (расхождение менее 5%), а для

 вольфрама расхождение оказалось более 30%, что связано с малым температурным диапазоном, в котором проводилось измерение для данного материала. Для идентификации материала проволочного сопротивления я измерил его удельное сопротивление (размотав проволоку, измерив ее длину и диаметр), которое оказалось равным 1.3 ом*мм2/м, что ближе всего к нихрому, который используется для изготовления проволочных сопротивлений. Его коэффициент температурного сопротивления очень маленький по сравнению с медью и вольфрамом и составляет всего 0.1*10-3/°С. Полученное же значение -1.2, что, скорее всего, связано с погрешностями измерения.

Таким образом, при выполнении проекта я познакомился с термином «коэффициент температурного сопротивления», узнал, в чем отличие температурных зависимостей металлов и проводников, экспериментально измерил данную величину для трех различных материалов, сопоставил полученные значения со справочными данными.